基于EXB841的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

負(fù)偏壓和保護(hù)特性是互相影響的.在通過外接穩(wěn)壓管提高負(fù)偏壓時(shí)，正向驅(qū)動(dòng)電壓將下降.因?yàn)槭軆?nèi)置檢測(cè)穩(wěn)壓二極管Vs1穩(wěn)壓值的限制，負(fù)偏壓和保護(hù)閾值電壓之和不得高于13 V，否則將被視為過流狀態(tài)而不能正常工作.因此，在提高負(fù)偏壓的同時(shí)，為保證可靠穩(wěn)定的工作，采用24 V單獨(dú)直流電源供電以提高正向控制電壓.

為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻Rg .Rg增大會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長，能耗增加，但在IGBT關(guān)斷時(shí)，可以延長關(guān)斷時(shí)問以便減小過電壓，防止較大的du/dt導(dǎo)致IGBT發(fā)生擎住效應(yīng);減小Rg又會(huì)加大電流的變化率，可能引起誤導(dǎo)通或損壞IGBT，故應(yīng)合理設(shè)計(jì)柵極串聯(lián)電阻Rg .優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路采用了不對(duì)稱的開啟和關(guān)斷方法.在IGBT開通時(shí)，EXB841的3腳提供+16 V電壓，電阻Rg1經(jīng)二極管V03和Rg2并聯(lián)使Rg值較小，有利于減小IGBT的開通時(shí)間和開通損耗，在IGBT關(guān)斷時(shí)，EXB841內(nèi)部的V5導(dǎo)通，3腳電平為0，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路在IGBT的E極提供-8 V電壓，使二極管V03截止，Rg=Rg2具有較大值，并用30 kΩ的電阻Rge和30 pF電容并聯(lián)抑制干擾.

2.2 過流檢測(cè)電路

偏高的保護(hù)動(dòng)作閾值難起到有效的保護(hù)作用，必須合適設(shè)置此閾值.但由于器件壓降的分散性和溫度影響，又不宜設(shè)置過低.為了適當(dāng)降低動(dòng)作閾值，已經(jīng)提出過采用高壓降檢測(cè)二極管或采用串接3 V反向穩(wěn)壓管及二極管的方法.該方法不能在提高了負(fù)偏壓的情況下使用，因?yàn)檎?dǎo)通時(shí)，IGBT約有3.5 V左右的壓降，負(fù)偏壓的提高使6腳在正常情況下檢測(cè)到的電平將達(dá)到12 V左右，隨著IGBT 的工作電流增大，強(qiáng)電磁干擾會(huì)造成EXB841誤報(bào)警，出現(xiàn)虛假過流.本優(yōu)化電路用可調(diào)電阻RW3實(shí)現(xiàn)閾值電壓的調(diào)整，10V穩(wěn)壓管Vs03設(shè)置檢測(cè)閾值下限，可較精確地設(shè)置小于IGBT極限過載電流的實(shí)際過流值.

2.3 虛假過流故障識(shí)別與故障信號(hào)鎖存電路

當(dāng)EXB841的6腳檢測(cè)到過流發(fā)生時(shí)，EXB841進(jìn)入軟關(guān)斷過程，內(nèi)部電路(C3，R6)產(chǎn)生約3us的延時(shí)，若3us后過流依然存在，5腳輸出低電平作為過流故障指示信號(hào)，高速光耦6N136導(dǎo)通，三極管V01截止，過流高速比較器LM319輸出高電平，電容C03通過R07充電，若LM319輸出持續(xù)高電平時(shí)間大于設(shè)定保護(hù)時(shí)間(一般5us)，C03 的充電電壓達(dá)到擊穿穩(wěn)壓管VS01的電壓，使三極管Vs02飽和導(dǎo)通輸出低電平，觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器鎖定過流指示信號(hào)，由前級(jí)控制電路(如送至SG3525的10腳)封鎖PWM脈沖信號(hào)和實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)動(dòng)作.若是虛假過流，在VS02飽和導(dǎo)通前EXB841的5腳電平將恢復(fù)為高電平，不會(huì)觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器，整個(gè)電路自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài).

EXB841的軟關(guān)斷時(shí)間是由內(nèi)部元件R7和C4的時(shí)間常數(shù)決定的，為了提高軟關(guān)斷的可靠性，在EXB84l的4和5兩端外加電阻Rw1可縮短軟關(guān)斷時(shí)間，在4和9兩端外加電容C01可避免過高的di/dt產(chǎn)生電壓尖峰，但應(yīng)合理選擇Rw1與C01，太大的值將增大內(nèi)部三極管V3的集電極電流.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為典型驅(qū)動(dòng)電路軟關(guān)斷波形(a)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路軟關(guān)斷波形(b)示意圖，從圖中可以看到，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路可較快地施加負(fù)偏壓，進(jìn)一步提高了EXB841驅(qū)動(dòng)的可靠性.

圖3 軟關(guān)斷波形對(duì)比

圖4為典型驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)測(cè)波形，圖5為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)測(cè)波形.從圖4可知典型驅(qū)動(dòng)電路的反向關(guān)斷電壓不到-5 V，正向驅(qū)動(dòng)電壓約為14 V，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的反向關(guān)斷電壓超過-7.8 v，正向驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到15.2 V，正反向偏置電壓同時(shí)得到了調(diào)整.實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)Rge兩端未并接電容時(shí)，正向驅(qū)動(dòng)電壓上升沿很陡，但由正向驅(qū)動(dòng)電壓切換到反向關(guān)斷電壓時(shí)，先有一很陡的快速下降過程，接近0 V時(shí)，經(jīng)過緩慢的過渡過程才達(dá)到穩(wěn)態(tài)反向關(guān)斷電壓，這是由于反向充電時(shí)間常數(shù)過大引起的.

圖4 原典型驅(qū)動(dòng)電路試驗(yàn)波形

圖5 驅(qū)動(dòng)優(yōu)化電路試驗(yàn)波形

原EXB841典型驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到大功率臭氧電源時(shí)，電源系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為：由于負(fù)偏壓不足，導(dǎo)致內(nèi)部穩(wěn)壓管損壞，容易引起IGBT發(fā)生直通現(xiàn)象，導(dǎo)致IGBT經(jīng)常炸毀.因強(qiáng)電磁干擾的存在，致使EXB841在電流較小時(shí)就產(chǎn)生虛假過流的故障報(bào)警，使得設(shè)備無法正常運(yùn)行.優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到電源后，以上幾種故障均得以消除，設(shè)備在滿負(fù)荷下能長時(shí)間可靠運(yùn)行.

4 結(jié)論

基于EXB841的IGBT優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路具有較好的實(shí)用性，它既提高了EXB841的驅(qū)動(dòng)能力，又對(duì)虛假過流信號(hào)具有很強(qiáng)的識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真正過流的保護(hù).將優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于大功率臭氧發(fā)生電源后，徹底消除了使用典型驅(qū)動(dòng)電路所出現(xiàn)的虛假過流保護(hù)現(xiàn)象，電源系統(tǒng)性能更穩(wěn)定可靠.